JPS6043599B2 - 電荷結合回路に対する直線性出力段およびその駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は電荷結合回路に対する直線性出力段において
、評価電極が増幅器の入力を接続され、ゲート端子にス
イッチングクロックを導入される所のスイッチングトラ
ンジスタが備えられ、よつてスイッチングトランジスタ
が読出し過程の間閉塞され、２回の読出し過程の間の所
定の時間中導通される如く成るもおに係る。

電荷結合デバイスは、アナログシフトレジスタとして使
用可能なので、アナログ信号の処理に対して重要である
。

電荷結合素子の普通の出力回路はソースフォロアと一緒
に構成される。その際外部の負荷抵抗を持つＭＯＳソー
スフォロワの非直線性は、高いソース抵抗の補助により
広範囲に直線化される。文献ＰｒＯｃｅｅｄｉｎｇｓＯ
ｆｔｈｅＩＥＥＥ，ｌ９７師１月、６３巻、ＮＯ．ｌ，
３８及至６７頁の、Ｄ，Ｆ．Ｂａｒｂｅの６４１ｍａｇ
ｉｎｇｄｅｖｉｃｅｇｕｓｉｒｇｔｈｅｃｈａｒ？ＣＯ
ｕｐｌｅｄｃＯｎｃｅｐｔ′５にかかる出力回路が記載
されている。この出力回路の重大な欠点は、空間電荷深
さに関係する空間電荷容量が存在するので、信号の評価
が一般に電圧に関係することにある。西ドイツ特許出願
公告第２６０２５２０号公報により電荷結合デバイスに
対する直線性の出力増幅器が公知であり、之において増
幅器はスイッチングトランジスタおよび負荷素子その際
スイッチングトランジスタおよび負荷素子は、増幅器の
出力を表わす１点において互に直列に接続され、スイッ
チングトランジスタのゲート端子は増幅器の入力を表わ
し、増幅器の入力はＣＣＤ装置と接続され、増幅器の出
力は補助トランジスタを経て増幅器の入力と接続される
。

補助トランジスタのゲート端子はパルス源と接続され、
之はトランジスタを読出し過程の間閉塞し、多くの読出
し過程の中間で導通する。クロック結合の阻止のためこ
の公知の回路において、２個の付加のトランジスタが用
いられ、之により補助トランジスタのそれぞれソース域
はドレイン端子を遮断する。

しかしそれによつてトレランスの問題が生じる。公知の
回路は殊に上記のＭＯＳ一増幅器が常に直線範囲で動作
される利点を持つが、信号出力の電圧に関係する空間電
荷容量により制約された非直線性が与えられる。この発
明の目的は上記の欠点を除いた、電荷結合素子に対する
直線性の出力段を得ることにある。この目的を達成する
ために冒頭に述べた直線性の出力段において、この発明
によれば、出力段中のスイッチングトランジスタが、第
１のシフトクロックを供給するクロック線と評価電極と
の間に挿入され、スイッチングクロックは、第１のシフ
トクロックを供給するクロック線が、読出し過程の前に
評価電極と接続され、読出し過程の間評価電極から分離
され、よつて信号電荷はフローティングでなくむしろ固
定電位にある所の、電極において受信されるように、時
間的に配置され、補助電位に固定的にある順序電極が備
えられ、しかして一定の表面電位の刻印のための、第１
の補助クロックを供給するクロック源と接続された所の
ダイオードを備えるのである。

この発明は、直線化は一方において電圧に関係する空間
電荷容量の影響が、一定の酸化物容量の協動作用により
減少されることにより達成可能であり、他方において少
くも部分的に信号のひずみの補償が、入力および出力の
空間電荷容量の空間電荷深さの、相反する影響により達
成可能であるという認識から出発する。

この発明の著しい利点は、評価電極が信号電荷をフロー
ティングで無く、むしろ固定の電位において受領し、電
荷のシフトが主として電極の一定の酸化物容量によつて
行われ、信号の照合は評価電極から電圧源を分離した後
、固定の表面電位の刻印によりダイオードにより行われ
、之により直線化を妨けるすべての重要な影響を十分に
排除することにある。

更にこの発明による出力段は、公知のＣＣＤ入力回路に
対し有利に比較可能に実施することができる。次にこの
発明を図面について説明する。

第１図はこの発明による出力段に対する装置を、それと
例えは共同動作する他の回路部分と共に示し、第２図は
出力段の動作に対するクロックパルスダイヤグラム、第
３図は信号電荷受容の相におけるこの発明による回路に
対する第１の等価回路、第４図は信号電圧送出の相にお
けるこの発明の回路に対する第２の等価回路、第５図は
種々に仮定したパラメータによる動作に対する特性曲線
群を示す。

上述のように第１図はこの発明の出力段の装置と、それ
と共動動作する他の回路部分を示す。

直線性の出力段はＳＡで、ドライバ段はＴＲで、゜゜フ
イルおよびスピル（ＦｉｌｌａｎｄＳｐｉｌｌ）７２入
力段はＳＥで示す。評価電極Ｅ１は第１シフトクロック
φ１の正規のクロック電圧Ｕφ１を保有する。ゲート端
子にスイッチングクロックφＲを導入されるスイッチン
グトランジスタ１により、評価電極Ｅ１はφ１から分離
可能である。評価電極Ｅ１のそばに、固定の補助電位Ｕ
１を持つ順序電極Ｅ２，および第１の補助クロックφＤ
１により制御される拡散領域が配置される。この双方は
、信号の照合の際評価電極の下における固定の表面電位
φＳＡの一時的の調整に役立つ。Ｅ１は、ドライバトラ
ンジスタＴ２および負荷トランジスタＴ３から形成され
た、ドライバ手段ＴＲとしてのソースフォロワと接続さ
れ、ＴＲの出力は、第１の制御電極Ｅ３および゜゛フイ
ルおよびスピル゛入力段ＳＥの第３の制御電極Ｅ５と接
続される。ドライバ段は動作電位ＵＢに接続される。。
ドライバ段ＴＲを迂回して、所定の状態の下で電極Ｅ５
の直接制御も可能である。上記の制御電極の他に゜゜フ
イルおよびスピル′２入力段ＳＥにおいて、なお第２の
制御電極Ｅ４，および第２補助クロックφＤ２により制
御される拡散領域が備えられる。第２図のクロックパル
スダイヤフラムについて作用を説明する。正規のＣＣＤ
動作の経過中に信号電荷ＱｓがＥ１により完全に引継が
れた後、φＲによりスイッチングトランジスタＴ１は閉
塞される（第１時刻ｔ１）。適当な第１時間間隔Δｔ１
後に第２時刻Ｔ２において、適当な低い表面電位φＳＡ
がＥ１の下に設定され、その際Ｕ１−φＳＡはピンチオ
フ電圧より大きくなければならない。従つてＥ１により
酸化物容量中に蓄積された信号は、Ｔ２またはＥ３或は
Ｅ５に進められる。ここでφＳＡの印加が破棄される前
に、評価は終了されねばならない。従つてφＤ２の負の
クロック相はＤ１のそれよりも早く、すなわち第３時刻
Ｔ３（第２時間間隔ΔＴ２）に終了されねばならず、そ
れに対しそのピンチオフ点は一致することができる。ス
イッチングクロックφＲはこの過程の後、すなわち第４
時刻Ｔ４の後ではあるが、シフトクロックサイクルの最
後のシフトクロックφ４の開始前に、Ｔ１の閉塞を再び
破棄する。第３図および第４図はこの発明の装置に対す
る第１或は第２の等価回路を示し、第３図は信号電荷収
容の相、第４図は信号電圧送出の相に対するものである
。φＳ：表面電圧、 Ｑｓ：信号電荷、 Ｃ１：評価電極の酸化物容量、 Ｃ１＊：評価電極の空間電荷容量、 Ｃ２：ドライバのゲート容量、 Ｃ３：スイツチングトランジスタのソース範囲 の空間
電荷容量、Ａ：節点、 ＱＡ：節点Ａにおける集合電荷、 Ａ１：評価電極の面積、 Ａ２：ドライバのゲートの面積、 Ａ３：スイツチングトランジスタのソース範囲 の面積
、Ｕφ１：正規のクロック電圧、 φＳＡ：固定的に印加された表面電位、 Ｕａ：出力信号電圧、 解析研究の結果、面積比会Ｆの対応する選定により、非
直線性の影響の最適の補償が達成可能であることが示さ
れた。

非直線性の偏差を明白に表わすため、この発明の接続の
動作点に関係する、特性曲線傾度の相対変化ΔＳを第５
図に示し、その際所定の技術的に重要な動作パラメータ
を採用した。比介惜は一定で１と仮定し、べ＋をパラメ
ータとして変化させた。

その他に使用したパラメータ値は第５図中に示す。最大
の偏差はλ）＝ｏすなわちＣ３が無い場合に存在する。
λ（の値が増すに伴い、直線性が改善される。λＦ＝６
においてほぼ最適が達成される。この経過から、Ｃ１＊
とＣ３の非直線性の影響は相反し、部分的の補償を許す
ことになる。この特性曲線から更に、特性曲線傾度は動
作点Ｑｓ／ＡｌｃＯｌの増大と共に一層小さいこと（Ｑ
ｓの符号は負である）が分かる。

ソースフォロアの特性曲線は之に対し反対の傾向を持つ
ことが有利である。従つて更に対応する付加の補償可能
性がある。Ｅ５に関し直接の電気的結合可能性があるが
、Ｅ３に対してはそうでないことを既に述べた。このこ
とは、Ｅ５の表面電位は電荷配分の際それぞれＥ３によ
り予定され、よつて酸化物容量のみが現われることに原
因する。すなわちドライバを使用する際と状況は類似で
ある。Ｅ３の入力容量に対してこのことは適用しない。
この発明による直線性の出力段は、４相ＣＣＤに対する
応用に限定されるものでなく、むしろ２相或は３相のＣ
ＣＤに対しても適当する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による出力段の接続、およびそれと例
えば共同動作する他の回路部分、第２図は出力段の動作
に対するクロックパルスダイヤグラム、第３図は信号電
荷受容の相におけるこの発明による回路に対する第１の
等価回路、第４図は信号電圧送出の相における第２の等
価回路、第５図は種々に仮定したパラメータによる動作
に対する特性曲線群を示す。 図において、Ａ・・・・・・節点、Ａ１・・・・・・評
価電極面積、ＡＺ・・・・・ドライバーゲートの面積、
Ａ３・・・スイッチングトランジスタのソース範囲面積
、Ｃ１・・・・・・評価電極の酸化物容量、Ｃ１木・・
・・・・評価電極の空間電荷容量、Ｃ２・・・・・・ド
ライバーゲートの容量、Ｃ３・・・・スイッチングトラ
ンジスタのソース範囲の空間電荷容量、Ｅ１・・・・・
・評価電極、Ｅ２・・・・順序電極、Ｅ３〜Ｅ５・・・
・・・第１〜第３の制御電極、ＱＡ・・・・・・節点Ａ
における集合電荷、Ｑｓ・・信号電荷、ＳＡ・・・・・
・出力段、ＳＥ・・・・・・入力段、Ｔ１・・スイッチ
ングトランジスタ、Ｔ２・・・・・・ドライバトランジ
スタ、Ｔ３・・・・・負荷トランジスタ、ＴＲ・・・・
・・ドライバ段、ｔ１〜Ｔ４・・・・・・時刻、Ｕ１・
・固定の補助電位、Ｕａ・・・・・・出力信号電位、Ｕ
Ｂ・・・・動作電位、Ｕφ１・・・・・・正規のクロッ
ク電圧、φ１・・・・・・第１シフトクロック、φ４・
・・・・・シフトクロック、φＤｌ，φＤ２・・・・・
・第１，第２の補助クロック、φＲ・・・・スイッチン
グクロック、φＳＡ・・固定の表面電位、φＳ・・・・
表面電位、ΔＴｌ，ΔＴ２・・・・・・時間間隔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 評価電極が増幅器の入力と接続され、ゲート端子に
   スイッチングクロックを導入されるスイッチングトラン
   ジスタが備えつけられ、よつてスイッチングトランジス
   タは読出し過程の間閉塞され、２回の読出し過程の間所
   定の時間中導通される如くなる、電荷結合回路に対する
   直線性出力段において、出力段ＳＡ中のスイッチングト
   ランジスタＴｉが、第１のシフトクロックφ１を供給す
   るクロック線と評価電極Ｅ１との間に挿入され、スイッ
   チングクロックφＲは時間的に下記のように、すなわち
   、第１のシフトクロックφ１を供給するクロック線が読
   出し過程の前に評価電極Ｅ１と接続され、読出し過程の
   間評価電極から分離され、よつて信号電荷は、フローテ
   ィングでなくむしろ固定電位にある所の電極において受
   信されるように、時間的に配置され、補助電位Ｕ１に固
   定的にある順序電極Ｅ２が備えられ、しかして一定の表
   面電位φＳＡの印加のための、第１の補助クロックφＤ
   １を供給する所の、クロック源と接続されたダイオード
   が備えられたことを特徴とする電荷結合回路に対する直
   線性出力段。 ２ 評価電極Ｅ１は、ドライバトランジスタＴ２および
   負荷トランジスタＴ３から形成されソースフオロワとし
   て動作する所の、ドライバ手段ＴＲの入力と接続され、
   しかしてドライバ手段ＴＲの出力は、第１の制御電極Ｅ
   ３および入力段、殊に“フィルおよびスピル（Ｆｉｌｌ
   ａｎｄＳｐｉｌ）”入力段ＳＥの第３制御電極Ｅ５と接
   続されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   直線性出力段。 ３ 評価電極Ｅ１は、“フィルおよびスピル”入力段Ｓ
   Ｅの第３の制御電極Ｅ５と直接に接続されることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の直線性出力段。 ４ 信号電荷ｑｓは評価電極Ｅ１の固定電位において完
   全に収容さ、スイッチングクロックφＲは第１のシフト
   クロックφ１の終了の前の第１の時刻ｔ１に遮断さ、従
   つてスイッチングトランジスタＴ１が閉塞され、第１の
   補助クロックφＤ１、および信号引継ぎに対して備えら
   れた第２の補助クロックφＤ２が、第１の時間間隔Δｔ
   １後第２の時刻を２において挿入され、その際第１の補
   助クロックφＤ１により、表面電位φＳＡが評価電極Ｅ
   １の下に調整され、表面電位はそれと補助電位Ｕ１との
   差がピンチオフ電圧より大きいように選定され、第３の
   時刻ｔ＿３第２の補助クロックφＤ２が遮断され、第２
   の時間間隔Δを２の後に第４の時刻を４に第１の補助ク
   ロックφＤ１が遮断され、しかしてスイッチングクロッ
   クφＲはシフトクロックサイクルの最後のシフトクロッ
   クφ４の開始前に再び導通されることを特徴とする電荷
   結合回路に対する直線性出力段の駆動方法。